Bevezetés – az energia
Mi az energia?
A hétköznapi beszéd fordulataiban gyakran szerepel az energia szó valami- lyen kapcsolatban. A fiatalok energikusak, valaki nagy energiával lát neki a munkának vagy telve van energiával. A szóhasználat jelzi, hogy az emberek ösztönösen tudják, mi az energia, amelyben sajnos nem mindig bôvelke- dünk. A fizika pontosan fogalmaz: Az energia anyagi rendszerek munkavégzô képességének mértéke. SI-mértékegysége a joule (J).
Az energia fajtái, egymásba való átalakulásuk, az energia megmaradásának elve
Az energiának számos ismert fajtája van, a mozgással a mozgási (kinetikus) energiát asszociáljuk; egy erôtérben, mint például Földünk gravitációs erô-
tere, a test helyzetébôl adódóan helyzeti energiával is rendelkezik. A mecha- 271
Bencze Gyula fizikus egyetemi tanár
1936-ban született. 1959-ben végzett az ELTE Természettudo- mányi Karának fizikus szakán.
1969-ben a fizikai tudományok kandidátusa lett magfizikából, 1975-ben pedig akadémiai dok- tor a sokrészecske szóráselmé- let terén elért eredményeivel.
Pályáját 1959-ben kezdte az Optikai Kutató Laboratórium- ban, majd a MOM Kutató Labo- ratóriumban fizikai optikával foglalkozott. 1962-tôl a KFKI Magfizikai Laboratóriumában, késôbb a KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézetében dolgozott mint tudományos tanácsadó. 1980 –1986 között az RMKI tudományos igazgató- helyettese volt. Több neves kül- földi egyetemen tanított mint vendégprofesszor, 1995 óta a New Mexico Egyetem kineve- zett fizikaprofesszora.
Fôbb kutatási területei:
a magreakciók elmélete és a sokrészecske szóráselmélet.
Új egzakt integrálegyenleteket vezetett le az N-részecske tranzitoperátorokra minimális csatolás mellett (Bencze- egyenletek, 1973), valamint két amerikai munkatársával kidol- gozta az azonos részecskék szó- rásának egzakt algebrai elméle- tét (1979–1982) mind a stacioná- rius, mind pedig az idôfüggô for- malizmus keretében.
Félnünk kell-e a nukleáris
energiától?
nikai energián kívül a hôvel is társíthatóenergia, amelynek megnyilvánulá- si formáival a hétköznapokban gyakran találkozunk. Közismert továbbá a kémiai, az elektromos és a mágneses energia, valamint legújabban a nuk- leáris energia.
A különbözô energiafajták átalakulhatnak egymásba, az energia meny- nyisége azonban eközben semmiképpen nem növekedhet. Az energia meg- maradásának elvét 1842-ben elôször Julius Robert Mayer mondta ki fizikai rendszerekre és biológiai jelenségekre. A tudomány fejlôdése során aztán bebizonyosodott, hogy ez az elv jóval általánosabb érvényû, és valamennyi energiafajtára fennáll.
A modern fizika, konkrétan Einstein ún. speciális relativitáselmélete is- merte fel a tömeg és az energia egyenértékûségének elvét, mely szerint a tes- tek kölcsönhatásakor az energiaátadást mindig egy vele arányos tömeg- átadás kíséri. Más szavakkal megfogalmazva: a testek nyugalmi tömegéhez is tartozik energia, amelyet a sokat idézett Einstein-féle képlet: E= mc2ha- tároz meg. Ez az elv egyesíti a tömeg és az energia megmaradásának elvét a legáltalánosabb keretek között.
Miben különbözik a nukleáris energia a többi energiafajtától?
A nukleáris energiát atomenergiaként szokás magyarra fordítani, valójá- ban azonban az atom magjában rejlô energiára gondolunk.
A természetben jelenlegi ismereteink szerint négy alapvetô kölcsönhatás létezik: a gravitációs kölcsönhatás, az elektromágneses kölcsönhatás, a gyenge kölcsönhatás, valamint az erôs – vagy nukleáris – kölcsönhatás. Ez a felsorolás egyben erôsségük sorrendjét is jelzi. A hagyományos, a hétközna- pokból ismert mechanikai energia lényegében a gravitációval társítható.
Az atomok és molekulák szerkezetét, amiben a kémiai energia forrása rejlik, alapvetôen az elektromágneses kölcsönhatás (a töltések között ható
272
Az atom elektronburka és az atommag
Energia:
anyagi rendszer munkavégzô képességének mértéke, SI-mér- tékegysége a joule (J).
Atomenergia, nukleáris energia:
az atommagok átalakulása (atommag-reakció) során fel- szabaduló energia. Békés célok- ra technikailag megoldott az atommaghasadáson alapuló energiatermelés, míg a csilla- gok energiáját szolgáltató atommagfúzió jelenleg csak kísérleti körülmények között, illetve a hidrogénbombában valósítható meg.
Elektronvolt, eV:
az az energia, amelyet az elekt- ron 1 volt potenciálkülönbsé- gen való áthaladással nyer.
A hagyományos energiaegység- gel a magfizikában használatos millió elektronvolt (MeV) a következô kapcsolatban áll:
1 MeV = 1,602 · 10–6erg.
Coulomb-erô) szabja meg. A kémiai energia tehát lényegében az elektro- mágneses kölcsönhatás megnyilvánulása (ide sorolhatók az emberi testben lezajló fontos biokémiai folyamatok, amelyek az életünk fenntartásához szükséges energiát szolgáltatják).
A nukleáris energiát annak mértéke különbözteti meg a többi energia- fajtától, mivel felszabadítása minden eddiginél látványosabb és pusztítóbb hatásokat képes elérni. Az atomi és nukleáris kölcsönhatás között 5–6 nagyságrend különbség van. Az atomok mérete átlagosan 10–8 cm, a centi- méter százmilliomod része, míg az atommag sugara ennél százezerszer, egy- milliószor kisebb. Az atomokban a külsô elektronok kötési energiája né- hány, esetleg 10 elektronvolt(eV), míg az atommagoknál ez az érték millió elektronvoltokban (MeV) mérhetô. Ez az 5–6 nagyságrend a hatást tekint- ve alapos különbséget jelent. Egyes tankönyvek azzal a példával szokták ezt illusztrálni, hogy 1 kg uránium-235 hasadásakor 18,7 millió kilowattóra energia szabadul fel hô alakjában. Ha a hagyományos energiaforrásokat vesszük alapul, az összehasonlítás valóban ijesztô.
Az atommag mint a nukleáris energia forrása
Az atommagok szerkezete és alkotórészeinek alapvetô kölcsönhatásai
Az atommagok fizikája a múlt század elsô negyedében született meg, ami- kor 1911-ben Rutherford kísérletekkel igazolta az atommag létezését, illet- ve amikor 1919-ben létrehozta az elsô mesterséges magreakciót. Az elméle- ti atommagfizika tudományáról pedig lényegében 1932-tôl beszélhetünk, amikor Heisenberg egy úttörô cikkében az atommagok szerkezetének leírá- sára a kvantummechanikát alkalmazta.
Az atommagok pozitív töltésû protonokból és semleges neutronokból állnak, amelyeket egységesen nukleonoknak szoktak nevezni. A nukleonok között erôsen vonzó magerôk hatnak – ezeket szokás erôs kölcsönhatásnak is nevezni. A nukleonok között fellép még egy ún. gyenge kölcsönhatás is, amely lényegében a protonok és neutronok közti átalakulásokért és a ra- dioaktivitás egyes fajtáiért felelôs. A pozitív töltésû protonok között termé- szetesen hat a taszító Coulomb-kölcsönhatás is. Míg az erôs és gyenge köl- csönhatás rövid hatótávolságú, a Coulomb-kölcsönhatás a távolság négyze- tével fordítottan arányosan csökken, tehát valójában hatótávolsága végtelen.
Az atommagok alapvetô jellemzôi az erôs, a gyenge és az elektromágne- ses kölcsönhatás tulajdonságainak ismeretében nagy pontossággal leírhatók – nincs szükségünk a nukleonok már jól ismert belsô szerkezetének figye- lembevételére.
Az atommagban levô protonok Z száma – az atommag töltésszáma
(rendszáma) –, valamint a neutronok N száma szabja meg az atommag 273
Rutherford, Sir Ernest (1871–1937)
Heisenberg, Werner (Karl) (1901–1976)
A=N+Ztömegszámát. Az azonos töltésszámú, de különbözô tömegszámú atommagokat izotópoknak szokás nevezni, a körülöttük felépülô elektron- burok által létrehozott atomok kémiai tulajdonságai azonosak.
Az atommagfizikában használatos energiaegység az elektronvolt egymil- liószorosa, rövidítése MeV; ez akkora energiának felel meg, amelyet egymil- lió voltos feszültségkülönbség befutásakor nyer az elektron. Az atommagok jellemzô méretei a Fermi tiszteletére elnevezett fermi=10–13 cm egysé- gekben adhatók meg, és ez is a jellemzô méret. Az Einstein-féle E= mc2 relációt felhasználva a magfizikában a tömegeket MeV egységekben is szo- kás megadni. Ennek megfelelôen az atommag két alapvetô építôkövé- nek, a neutronnak és a protonnak a tömege energiaegységekben rendre:
mn= 939,55 MeV, mp= 938,26 MeV.
Az atommagok kísérletileg meghatározható tömege kisebb, mint a ben- ne lévô protonok és neutronok együttes tömege. A kettô különbsége az ún.
tömegdefektus. Einstein híres egyenlete alapján a tömegdefektust c2-tel szo- rozva megkapjuk az atommag kötési energiáját:
W(Z, A) = [Z·mp+N·mn–M(Z, N)] · c2
amely tehát mérésekkel meghatározható.
A késôbbiekben kiderült, hogy bizonyos proton- és neutronszámoknál (az ún. mágikus számoknál: 2, 8, 28, 50, 82, 126) különösen stabilak az atommagok. Ezen a megfigyelésen alapul az atommag „héjmodellje”.
A különféle modellek tulajdonságainak, valamint a kísérleti eredmények- nek az egybevetésével született meg az atommagok félempirikus kötési
274
Az atommagok kötési energiája A és Z függvényében
Mágikus számok:
az atommagok héjmodellje szerint az atommagban a nuk- leonok héjakba rendezôdnek, az egyes héjakban 2, 8, 20, 28, 50, 82, illetve 126 nukleon – proton vagy neutron helyezhe- tô el. A telített héjakat tartal- mazó ún. mágikus magokra különleges stabilitás jellemzô.
Héjmodell (az atommagok héjmodellje):
A német Hans Daniel Jensen (1907–1973) és a német szár- mazású amerikai Maria Göppert-Mayer (1907–1972) fizikus 1949-ben egymástól függetlenül dolgozta ki az atommagok héjmodelljét, amelynek alapfeltevése szerint a nukleonok (külön-külön a protonok és a neutronok) a kölcsönhatásuk által létreho- zott átlagtérben héjakba rende- zôdve helyezkednek el. Bizo- nyítékot találtak arra, hogy az ún. mágikus számú protont, illetve neutront tartalmazó atommagok különösen stabi- lak, és ezek a számok éppen az egyes héjakban található helyek számát határozzák meg. 1955- ben közösen írták meg Az atommagok héjszerkezetének ele- mi elméletec. monográfiájukat, amelyben lefektetik modelljük elméleti alapjait. Munkásságu- kért 1963-ban megosztott fizi- kai Nobel-díjat kaptak.
energiaformulája, amely elsôsorban C. F. von Weizsäcker nevéhez fûzôdik, és az atommag W(A, Z) kötési energiáját az Atömegszám és a Ztöltésszám függvényeként elméleti megfontolásokkal határozza meg. Az így megszer- kesztett egyenletben szereplô szabad paramétereket a kísérleti eredmények- hez való illesztéssel határozzák meg. Innen ered a félempirikusjelzô.
Az atommagok tulajdonságairól jó áttekintést ad egyrészt a kötési ener- giafelület W(A, Z), valamint az egy nukleonra jutó kötési energia függése az atommag tömegszámától. Látható, hogy a kötési energia nem növekszik határtalanul, hanem telítésbe megy– ami a magerôk rövid hatótávolságának a következménye. A legstabilabbak az A = 60 körüli tömegszámú atomma- gok, például a vas, míg a kötési energia csökken mind az alacsonyabb, mind pedig a magasabb tömegek tartományában. Ebbôl azonnal kiolvasható, hogy mind a nehéz magok hasadása, mind pedig a könnyû magok fúziója (nukleáris) energiát szabadíthat fel. A 266 stabil atommag mellett ma már több mint 500 radioaktív izotópot ismerünk, és ez a szám egyre növekszik a kísérleti technika rohamos fejlôdésével.
A maghasadás fizikája
A neutron és az atommagok erôs kölcsönhatásának tanulmányozása során Enrico Fermi és munkatársai 1934-tôl egy sor radioaktív elem keletkezését regisztrálták. Hasonló kísérleteket végzett Párizsban Irene Curie és Pavle Savic. Otto Hahn, Fritz Strassmann és Lise Meitner Berlinben már 1937- ben legalább kilenc radioaktív termék jelenlétét bizonyította, a gond ezek- nek a reakciótermékeknek az azonosítása volt. A két kémikusnak, Hahn- nak és Strassmann-nak sikerült a termékek között a báriumot azonosítani,
amirôl 1939 januárjában számoltak be a Naturwissenschaftcímû folyóirat- 275
Egy nukleonra jutó kötési energia az A függvényében
Hahn, Otto:
német fizikai kémikus (1879–1968). 1918-ban mun- katársával, Lise Meitnerrel fel- fedezte a protaktínium nevû elemet. 1938-ban Fritz Strassmann-nal bebizonyította, hogy a maghasadásnál az atom- mag neutronok kibocsátása mellett két fragmentumra ha- sad szét. A maghasadás folya- matának azonosításáért 1944- ben kémiai Nobel-díjat kapott.
Meitner, Lise:
osztrák fizikai kémikus (1878–1968), aki Otto Hahnnal 1918-ban felfedezte a protaktínium nevû elemet.
Zsidó származása miatt 1938- ban Svédországba emigrált, ahol a stockholmi egyetemen folytatta kutatásait. Tôle szár- mazik az „atommaghasadás”
kifejezés. Tiszteletére róla ne- vezték el a 109 rendszámú ele- met meitneriumnak (Mt).
Kritikus tömeg:
a hasadóanyag legkisebb töme- ge, amelynél az önfenntartó láncreakció beindulhat; pél- dául az uránium-235-nél a kritikus tömeg 15 kg, a plutó- niumnál 5,6 kg.
ban. Néhány héttel késôbb ezt követte a Nature hasábjain az idôközben Svédországba, illetve Angliába emigrált Lise Meitner és unokaöccse, Otto Frisch cikke, amelyben szintén az uránium szétbomlásával foglalkoztak.
Amaghasadáselnevezés valójában Lise Meitnertôl és unokaöccsétôl ered.
Ennek az újfajta magreakciónak – magátalakulásnak – az azonosítása azon- ban alapvetôen Otto Hahn és munkatársa, Fritz Strassmann érdeme.
A maghasadásnál tehát az atommag két nehéz fragmentumra hasad szét, amelyek radioaktívak – ezért tovább bomlanak –, valamint további neutro- nok is keletkeznek. A részletes számítások azt mutatják, hogy az atommag alakja gerjesztésekor megnyúlik, amihez energiára van szükség – más sza- vakkal: az atommag egy bizonyos mértékig „ellenáll”, ahogy ezt egy másfaj- ta rugalmas közeg is teszi. Ez az ellenállás azonban egyszer csak megszûnik, és a mag széthasadásának nincs többé akadálya.
Egy atommag hasadása csak egy folyamat elsô lépése, ugyanis a hasadá- si termékek tovább bomlanak. A hasadási termékek radioaktív bomlással további magokká alakulnak, azok esetleg magasan gerjesztett állapotban
276
A hasadási potenciálgát
A hasadási reakciólánc
Késô-neutronok:
a hasadási termékek további radioaktív bomlása során kibo- csátott neutronok, amelyek az ôket létrehozó bomlási folya- mat átlagos élettartamával ké- sôbb keletkeznek a hasadási neutronoknál.
Alfa-részecske:
a hélium-4 atommagja, radio- aktív bomlásnál keletkezik, ebbôl áll az ún. alfa-sugárzás.
képzôdnek, és egy neutron kibocsátásával szabadulnak meg fölös energiá- juktól. Az így keletkezett neutronokat késô neutronoknak nevezik, ugyanis a hasadást követôen annyi idôvel késôbben jelennek meg, mint az ôket kibocsátó atommagokat létrehozó béta-bomló magállapot átlagos élettartama.
A hasadási láncreakció
A láncreakció fogalma a kémiában már régen ismeretes. Alapvetô és szüksé- ges tulajdonsága, hogy a reakciót létrehozó egyik alkotóelemnek a reakció során újra kell termelôdnie, így az újabb reakció kiváltására lesz képes. Ha ezek a reakciók elég gyorsan követik egymást, gyakorlatilag egy idôben zaj- lanak le, megfelelô anyagmennyiség esetén jelentôs energia szabadulhat fel.
A nukleáris láncreakció gondolatát elôször Szilárd Leó vetette fel Lon- donban, és a nukleáris láncreakcióra vonatkozó elképzelését 1936-ban sza- badalmaztatta is. Szilárd ötletének alapja a 9Be(n, 2n) 2 4He reakció volt.
A négy protont tartalmazó berillium atommagnak csak a 9-es tömegszámú izotópja stabil. A 8-as tömegszámú izotóp, amelynek átlagos élettartama 10–16 másodperc, ami magfizikai skálán ugyan nem annyira rövid, a gya- korlatban azonban azonnal szétesik két alfa-részecskére – két hélium-4 atommagra. A reakciót kiváltó neutron a berilliumból kilök egy neutront, a maradék mag felbomlik, a neutron pedig újratermelôdik. Megvannak te- hát a láncreakciónak az alapfeltételei. A gyakorlatban azonban ez az ötlet nem vált be, a folyamat nem önfenntartó.
Szilárd Leó és Walter Henry Zinn mérte meg elsôként az uránium-235 hasadásánál keletkezô másodlagos neutronok átlagos számát – azokét a neutronokét, amelyek az elsôdleges hasadás mellett azonnal keletkeznek.
Az eredmény 2,3 neutron hasadásonként, 0,3 neutronnyi alsó és felsô hiba- határral, vagyis az önfenntartó láncreakció megvalósításának megvannak a fizikai feltételei. Az események további menete mindenki számára jól is- mert. Szilárd Leó, Wigner Jenô és Teller Ede látogatást tett Princetonban Einsteinnél, és meggyôzte, fel kell hívnia az Egyesült Államok elnökének fi- gyelmét annak veszélyére, hogy a németek atombombát állíthatnak elô.
A küldetés sikerrel járt, Einstein megírta híres levelét Roosevelt elnöknek, aminek nyomán beindult az amerikai atomprogram.
Chicagóban Enrico Fermi vezetésével összeállt egy csapat, amelynek tag- ja volt Szilárd Leó és Wigner Jenô is. 1942. december 2-án a láncreakció önfenntartóvá vált, így Chicagóban beindult a világ elsô nukleáris reaktora, amely a CP1 (Chicago Pile 1) nevet viselte – innen ered a korabeli atom- máglya kifejezés. A reaktorban Wigner Jenô tanácsára grafitmoderátort használtak. Feltétlenül említést érdemel még, hogy a háború után Fermi és Szilárd Leó szabadalmat kapott az atomreaktorra.
Az elsô siker után az erôfeszítések az atombomba elôállítására összponto- sultak, ami alapvetôen másfajta feladat, mint egy atomreaktor létrehozása.
A bombánál a cél a neutronsokszorozási tényezô minél magasabb értéken
való tartása, hogy a láncreakció lefutása igen gyors legyen. 277
A maghasadás kutatásának magyar úttörôi
Szilárd Leó (1898–1964)
Wigner Jenô (1902–1995)
Teller Ede (1908–2003)
Új tudományterületek:
reaktorfizika és nukleáris technológia
Az új tudományterületek feladatai
A maghasadás fizikájáról kimondhatjuk, hogy nagyjában-egészében meg- értjük az alapvetô fizikai folyamatokat. Bár még bizonyára vannak tudá- sunkban hézagok, drámaian új fejleményre nem számítunk. Ezzel szemben a reaktorok fizikája és a berendezések konstrukciója terén még nyitottak a lehetôségek.
A reaktorfizika három alapvetô feladata:
á a reaktor adott összetétele mellett meghatározni a rendszerben a neut- ronok térbeli, idôbeli, valamint sebességeloszlását;
á nyomon követni a reaktorban lejátszódó magreakciókat, vagyis meg- adni a reaktor összetételének a változását: a hasadóanyag fogyását, a plutó- nium és a hasadási termékek felhalmozódását stb., szakkifejezéssel élve: el- lenôrizni a reaktor-üzemanyag „kiégését”;
á módszereket kidolgozni a reaktor üzemvitele szempontjából fontos mennyiségek mérésére.
A felsorolt feladatok matematikai alapját a transzport-egyenlet (Boltz- mann-egyenlet) képezi, amelynek megoldása a legnagyobb erôfeszítéseket és hatalmas számítástechnikai kapacitást igényel. A reaktorok tervezésével kapcsolatos mérnöki munka ugyancsak nagyfokú kreativitást, új ötleteket kíván meg, amelyeket azonban biztonsági okokból csupán az ellenôrzô reak- torfizikai számítások után szabad a gyakorlatba átvinni.
Az atomreaktorok alapvetô szerkezeti elemei
A szabályozott láncreakció legfontosabb tulajdonsága, hogy nem gyorsan megy végbe, hanem az általunk megszabott ütemben és energiatermelési feltételek mellett. Az elrendezés legfontosabb tulajdonsága az effektív neut- ronsokszorozási tényezô (k), amelynek értéke megszabja a rendszer viselke- dését. Ha k = 1, akkor a rendszer stacionárius (kritikus), állandó energiater- melés folyik, ha k < 1, akkor a rendszer szubkritikus, a láncreakció leáll, míg k > 1 esetben a folyamat felgyorsul – ezt a lehetôséget kell a reaktorok tervezésénél minden eszközzel kizárni.
A láncreakcióhoz természetesen hasadóanyagra van szükség, amely az elrendezésben rudak alakjában helyezkedik el. A hasadásnál keletkezô neutronok lassítására szolgál a moderátor, aminek az a feladata, hogy lelassítsa a gyorsneutronokat, így azok a sokszori ütközések révén sok- kal nagyobb valószínûséggel képesek hasadást létrehozni. Az üzemanyag- ban felszabaduló hôt a hûtôközeggel vezetik el és villamos energiává ala- kítják.
278
Boltzmann, Ludwig E.
(1844–1906)
A BME oktatóreaktorának épülete
A reaktorok típusai
Zéró reaktorok
Ezek a kritikus rendszerek gyakorlatilag nem termelnek energiát, hûtésre nincs szükség, és a mûködésnél sugárveszély sem lép fel. Elsôdleges céljuk reaktorfizikai vizsgálatok végzése, és az elméleti modellek alkalmazhatósá- gának ellenôrzése mérésekkel.
A KFKI 1990-ig mûködô ZR-6 kritikus rendszerével végzett kutatások az elmúlt évtizedekben nagymértékben hozzájárultak a hazai atomenergeti- ka fejlôdéséhez, és ahhoz, hogy a Paksi Atomerômû mûködtetéséhez és fej- lesztéséhez megfelelô tudás és szakembergárda álljon rendelkezésre.
Kutatóreaktorok
Akutatóreaktorokkettôs célt szolgálnak: oktatásra használják ôket, vala- mint neutronforrásként funkcionálnak egyéb tudományterületek, például az anyagtudomány számára. Hazánkban két kutatóreaktor mûködik, a BME Nukleáris Technológai Intézetében egy tanreaktor, amelynek az okta- tásban van nagy jelentôsége, valamint a KFKI–AEKI 10 MW teljesítmé- nyû reaktora, amely az anyagtudományi és szilárdtestfizikai kutatásokban játszik fontos szerepet, és a Budapest Neutron Center keretében külföldi felhasználóknak is rendelkezésére áll.
Atomerômûvek
Az atomerômûvek tervezésénél sok szempontot kell figyelembe venni, köz- tük a gazdaságosságot, a viszonylag egyszerû konstrukciót és a biztonságot.
Az egyes típusok így az üzemanyag tulajdonságaiban, a moderátor anyagá-
ban és a hûtés módjában különböznek egymástól. 279
Kutatóreaktorok:
a kutatóreaktorok kettôs célt szolgálnak, oktatásra használ- ják ôket, valamint neutronfor- rásként funkcionálnak egyéb tudományterületek, például az anyagtudomány számára.
A kutatóreaktor köpenyét megfúrva a reaktor magjáig csatornák alakíthatók ki, ame- lyeken keresztül a hasadáskor keletkezô neutronok eltávoz- hatnak. Egy kutatóreaktornál több csatorna is létezik, így egyidejûleg többféle mérés is végezhetô. A kijövô neutronok sebességét (energiáját) megfele- lô szelektorokkal lehet kiválasz- tani. Igen fontos megjegyezni, hogy ilyen csatornákat csak kutatóreaktoroknál lehet létre- hozni a kis teljesítmény miatt.
Az atomreaktor általános sémája
A világon a legelterjedtebb az ún. nyomottvizes reaktor, amelynek mo- derátora és hûtôközege egyaránt a könnyûvíz (H2O), amely nagy nyomás alatt még több száz fokon sem forr fel. A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: ezek a világon jelenleg üzemelô atomreaktorok összteljesítmé- nyének mintegy 63,8 százalékát adják. Ilyen a Pakson mûködô VVER-440 típusú reaktor mindegyik blokkja.
A reaktorok egy másik típusa a forralóvizes reaktor, amelyben mind a moderátor, mind a hûtôközeg szintén könnyûvíz. A konstrukció megengedi azonban, hogy a reaktortartályban a víz egy része elforrjon, így az aktív zóná- ból víz–gôz keverék lép ki. A termelt gôz közvetlenül a turbinára kerül, ezért a vizet és a gôzt szét kell választani (a gôzben lévô vízcseppek károsítják a turbi- nát). Mivel a reaktorban megengedett a víz elforrása, a nyomás kisebb, mint a nyomottvizes reaktoroknál: kb. 60–70 bar. Az üzemanyag többnyire urán- oxid. A friss üzemanyag dúsítása általában kisebb, mint a nyomottvizes típus- nál. Hatásfokuk 33–35%. A világon ma mûködô atomreaktorok összteljesít- ményének 22,5 százalékát adják a forralóvizes reaktorok.
Az erômûvi reaktorok egy része nehézvizet (D2O) használ moderátornak és hûtôközegnek egyaránt. Ennek a típusnak az a hátránya, hogy a nehézvíz igen drága. Ugyanakkor a nehézvíz a legjobb moderátoranyag, és csak kis- mértékben nyeli el a neutronokat, nem akadályozva ezzel a láncreakciót.
Ezért itt az üzemanyag csak alig (1–2 százalékra) dúsított vagy akár termé- szetes urán is lehet. A nehézvizes típus fô képviselôje a kanadai CANDU- reaktor, amelyet azért fejlesztettek ki, hogy a költséges urániumdúsításra ne legyen szükség. Anehézvizes reaktoroka világ mai atomerômû-össztelje- sítményének 5,3 százalékát adják, az építés alatt levôknek pedig 13,2 száza- lékát, tehát erôsen elterjedôben vannak.
280
A KFKI kutatóreaktora
Forralóvizes reaktor:
a forralóvizes reaktorban mind a moderátor, mind a hûtô- közeg könnyûvíz. A forraló- vizesreaktor elônye, hogy – mivel a legegyszerûbb elvi fel- építésû típus – a beruházási költségek viszonylag alacso- nyak. A világon ma mûködô atomreaktorok összteljesítmé- nyének 22,5 százalékát adják a forralóvizes reaktorok.
Az elôzôekben ismertetett reaktortípusokban (ezek az ún. termikus reaktorok) a hasadások döntô többségét az U-235 képviseli, az U-238 csak kismértékben járul hozzá az energiatermeléshez. Az U-238 magja azonban egy neutron befogásával több lépcsôben Pu-239-cé alakulhat. A Pu-239 hasadóképes, leghatékonyabban a gyors neutronokhasítják. A tenyésztô- reaktorokban mindkét folyamatot kihasználják. Ennél a típusnál nincs szükség moderátorra, a hûtést pedig folyékony alkáli fémmel biztosítják.
A gyors (gyors neutronokkal mûködô) tenyészreaktorok a világ atomerô- mûvi összkapacitásának kevesebb mint 1 százalékát adják. 1994 óta ilyen reaktort az Egyesült Államokban nem állítottak üzembe.
A fentieken kívül még számos más reaktortípus létezik, amelyek felso- rolására itt most nincs lehetôség. Egy típust azonban még feltétlenül meg kell említeni, mert ez okozta a csernobili reaktorbalesetet. Az RBMK egyedi reaktor: moderátora grafit, hûtôközege elgôzölgô nagy nyomású könnyûvíz. Az RBMK típus ôse a világ legelsô erômûvi reaktora volt, amelynek elsô példánya 1954-ben Obnyinszkban állt üzembe. Ebbôl ke- rült kifejlesztésre az 1986. április 26-án szerencsétlenül járt csernobili blokk is. RBMK reaktorok ma már csak a volt Szovjetunió néhány utódál- lamában mûködnek.
Külön fejezetet képeznek a hajtómûreaktorok, amelyeket tengeralattjá- rók és hajók meghajtására fejlesztettek ki. A hagyományos tengeralattjárók
(melyek a felszíni közlekedéshez dízelmotort, a víz alatt pedig villanymo- A csernobili reaktorblokk Nyomottvizes reaktorok:
a nyomottvizes reaktorokban az üzemanyag általában alacso- nyan (3–4%) dúsított urán-di- oxid, néha urán-plutónium- oxid keverék (ún. MOX). Ez a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelô atom- reaktorok összteljesítményének mintegy 63,8 százalékát adja.
Gyors neutronok:
olyan neutronok, amelyek energiája meghaladja az egy- millió elektronvoltot (MeV).
tort használtak) a második világháború után mûszakilag elavultak. Ennek oka, hogy a villanymotorok energiaellátását szolgáló akkumulátorok beha- tárolták a víz alatti tartózkodás idejét. Többek között ezt a gondot oldotta meg az atommeghajtás.
A reaktorok biztonsága
Az atomerômûvek biztonságosságára a tervezôk nagy figyelmet fordítanak.
Egy mûködô reaktorban az üzemanyagrudak jelentik a legnagyobb sugár- veszélyt. Éppen ezért többszörös védelmi rendszert építenek ki, hogy nor- mális mûködés közben a radioaktív hasadási termékek ne juthassanak ki a szabad levegôre. A hasadóanyag korróziónak ellenálló csövekben (fûtô- elem-burkolatban) helyezkedik el. A nyomottvizes reaktoroknál a primer hûtôkör vastag acélfallal van körülvéve. A hûtôvíz maga is elnyeli a bioló- giailag olyan hatásos radioaktív izotópokat, mint a jód. A harmadik bizton- sági gát pedig az acélból és betonból készült épület (containment).
A reaktorrendszerek állapotát bonyolult mûszerek sokasága figyeli mû- ködés közben, készen arra, hogy abnormális körülmények között azonnal leállítsák a reaktort. A tartalék biztonsági rendszer bórt adagol a hûtôközeg- be, amely azonnal elnyeli a neutronokat és leállítja a láncreakciót. A köny- nyûvizes reaktorok nagy nyomás alatt mûködnek. Nagyobb csôtörés esetén a víz elforrna, és a hûtés megszûnne. A reaktormag hûtésének leállása ese- tén vészhûtô-rendszer lép mûködésbe, amely automatikusan bekapcsol a primer kör nyomásának csökkenése esetén. Abban az esetben, ha gôz jut a zárt reaktorépületbe, azonnal locsolóberendezések indulnak be, amelyek hatására a gôz lecsapódik, és csökken a nyomás az épület belsejében.
Ilyen bonyolult biztonsági rendszer megbízható mûködtetése csak alkal- mas számítógépes rendszer segítségével lehetséges. A számítógépes reaktor- irányítás kutatásában hazánkban élen járt a KFKI, majd jogutódja, a KFKI Atomenergia Kutatóintézet, amely a Verona számítógépes rendszer folya-
282
RBKM-reaktorok:
az RBMK egyedi reaktor: mo- derátora grafit, hûtôközege el- gôzölgô könnyûvíz.
A típus részesedése a világ atomerômûvi összkapacitásá- ból 4%. Elônye, hogy nagy tel- jesítményre képes, a biztonság szempontjából azonban sok kívánnivalót hagy maga után.
ANautilus,az elsô atommeghaj- tású tengeralattjáró, 1954
matos továbbfejlesztésével járul hozzá a Paksi Atomerômû biztonságos mû- ködtetéséhez. Itt meg kell jegyezni, hogy a világon mûködô több mint 400 atomerômû között a paksi blokkok az üzembiztonság szempontjából a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség illetékes szervétôl igen jó bizonyít- ványt kaptak.
Az atomreaktorok közel fél évszázados mûködése alatt három nagy reak- torbaleset történt. 1957-ben az északnyugat-angliai Windscale erômûben, 1979-ben az Egyesült Államokban a Harrisburg melletti Three Mile Island atomerômûnél, valamint 1986-ban Ukrajnában a csernobili erômûnél. Az elsô két esetben csak anyagi kár keletkezett, míg Csernobilban súlyos ka- tasztrófa történt, amirôl részletesen beszámolt a média. Mindhárom eset- ben súlyos emberi mulasztás vagy gondatlanság okozta a balesetet. Az ese- tekbôl az alábbi tanulságok vonhatók le: míg a reaktorok fizikája és a reak- tortechnológia ismeretében a biztonságos üzemeltetésnek minden eleme rendelkezésre áll, a leggyengébb láncszem a biztonságosság terén az emberi tényezô. Az atomerômûvek vezetését csak alaposan képzett szakemberekre lehet bízni, és a gazdaságosságra vonatkozó összes megfontolást meg kell elôznie a legteljesebb biztonságra való törekvésnek! Mindent egybevéve:
megfelelô gondossággal és felkészültséggel az eddigi három reaktorbaleset mindegyike könnyen elkerülhetô lett volna.
Összefoglalás:
szükség van-e nukleáris energiára?
Az országok fejlettségének egyik jellemzôje a felhasznált energia mennyisé- ge; ha úgy tetszik, ez is a civilizáltság mértéke. Minél fejlettebb egy társada- lom, annál energiaigényesebb az ipara, annál több mûszaki berendezést használ, amelyek szintén energiaigényesek. Vannak szerencsés országok, amelyekben bôven található fosszilis energiaforrás, vízi erô, szélerô vagy geotermikus energiaforrás. Minél nagyobb egy ország, annál valószínûbb, hogy több energiaforrás áll rendelkezésére.
A kicsi, és fôleg a gyorsan fejlôdô országoknak azonban jelenleg nincs más alternatívájuk, mint a nukleáris energia – annak számos elônyével és hátrányával együtt. Az 1. táblázat az atomenergia felhasználásának földré- szek szerinti megoszlását ábrázolja. Nem véletlen, hogy ebben a táblázatban az ún. harmadik világ országai nem jeleskednek, valamint hogy Európa messze megelôzi az Egyesült Államokat.
Elsôsorban a természetes energiaforrásokban szegény és fejlôdô kis or- szágok kényszerülnek rá az atomenergia használatára. Igen figyelemremél- tó, hogy az Egyesült Államok csak a tizenkilencedik helyet foglalja el a rangsorban. Az Egyesült Államok mind fosszilis, mind pedig egyéb termé- szetes energiaforrásokban bôvelkedik, ugyanakkor az is közismert, hogy fejlettségénél fogva a világ legnagyobb energiafelhasználója, ha minden energiafajtát figyelembe veszünk.
Cserenkov-sugárzás a BME oktatóreaktorának aktív zónájában
283 Nehézvizes reaktorok:
ez a reaktortípus nehézvizet (D2O) használ moderátornak és hûtôközegnek egyaránt.
Hátránya, hogy a nehézvíz igen drága, másrészt azonban a leg- jobb moderátoranyag. Ezért itt az üzemanyag csak alig (1–2 százalékra) dúsított, vagy akár természetes urán is lehet.
A nehézvíz forrása nem megen- gedett, tehát a primer körben a nyomottvizes reaktorokhoz hasonlóan itt is nagy nyomás uralkodik. A nehézvizes reakto- rok napjainkban erôsen elterje- dôben vannak.
A jelenlegi arányok szerint az Egyesült Államokban az energiatermelés 52 százalékát a szén adja, az atomenergia aránya 19,8%, a földgázé 15%, a vízi erômûvekbôl származik 9%, a kôolajból 3%, az egyéb energiaforrások (szélenergia, napenergia stb.) 2 százalékot tesznek ki. Az Egyesült Államok- nak óriási szénkészletei vannak – a becslések szerint a jelenlegi kitermelési móddal 250 évre elegendôek a készletek, ha azonban a teljes kitermelhetô készletet új módszerekkel hozzák felszínre, a jelenlegi igények mellett akár 1500 évre is lesz elegendô szén. Ilyen körülmények között az alacsonyabb költségek miatt az atomenergia nem kulcskérdés, és az Egyesült Államok-
1. táblázat. A világon üzemelô atomreaktorok földrészek szerinti eloszlása
284
Földrész Reaktorok száma
Európa 212
Ázsia 94
Észak-Amerika 119
Dél-Amerika 3
Afrika 1
Ország Reaktorok Összkapacitás, Részesedés a villamos- száma megavatt energia-termelésbôl
Franciaország 57 60 313 76,4%
Litvánia 2 2370 73,7%
Belgium 7 5713 56,8%
Szlovákia 6 2448 53,4%
Ukrajna 13 4884 47,3%
Bulgária 6 3538 45,0%
Magyarország 4 1729 42,2%
Dél-Korea 16 12 949 40,7%
Svédország 11 9440 39,0%
Svájc 5 3077 38,2%
Japán 52 43 650 33,8%
Örményország 1 376 33,0%
Németország 19 21 107 30,6%
Finnország 4 2656 32,1%
Spanyolország 9 7289 27,6%
Tajvan 6 4884 23,6%
Egyesült Királyság 33 12 400 21,9%
Csehország 4 1680 20,1%
USA 103 10 799 572 19,8%
2. táblázat. A világon üzemelô atomreaktorok országok szerinti eloszlása
ban az elkövetkezendô évtizedekben a szén megôrzi domináns szerepét az energiaforrások között.
Az 1. és 2. táblázatból kiolvasható, hogy Magyarország jelenleg nem nél- külözheti a nukleáris energiát. Természetesen e kijelentéssel csak saját sze- mélyes véleményem fejezem ki. A helyzet elvben gyökeresen megváltozhat ugyan, ha az atomenergiát más, biztonságosabb energiaforrás képes igen rövid határidôn belül, lehetôleg azonnal kiváltani.
Hosszabb távon megoldást jelenthet a deutérium és trícium atommagok egyesítésén alapuló fúziós energiatermelés. Ebben minden radioaktív anyag az erômûvön belül marad, és a leállítás után 30–40 évvel a berendezés anya- gai újrafelhasználhatóvá válnak. Sajnos a szükséges magas (100 millió fok) hômérséklet miatt a mai kísérletekben még csak a befektetett energiát tud- ják visszanyerni. Ha a jelenleg elôkészítés alatt álló ITER-kísérlet sikeres lesz, akkor az elsô áramtermelô fúziós reaktor 2040 körül állhat üzembe.
Olcsó dolog lenne azzal példálózni, hogy a lôfegyverek sokkal több em- ber életét oltották ki, mint az atomenergia-ipar balesetei, mégsem követel- ték jelentôs civil mozgalmak a lôfegyverek gyártásának betiltását. Az is saj- nálatos tény, hogy az autó a legveszélyesebb üzem hazánkban, és a halálese- tek száma e téren is aggasztóan nô. Mégsem merült fel az autóközlekedés megtiltása! A statisztikák szerint két-három tízezred a valószínûsége annak, hogy valaki autóbalesetben hal meg. A reaktorok esetében alapvetô követel- mény, hogy a káros hatások bekövetkezésének valószínûsége nem haladhat- ja meg a tízmilliomod értéket, azaz a reaktorok a statisztikák tanúsága sze- rint ezerszer biztonságosabbak, mint a gépkocsik.
Ezek után az elôadás címében feltett kérdésre a felvonultatott ismeretek és érvek alapján az a válaszom, hogy nem az atomenergiától kell félni, ha- nem az emberi felelôtlenségtôl, képzetlenségtôl és ostobaságtól!
„Két dolog végtelen; a Világ- egyetem és az emberi hülyeség, de az elôbbi nem biztos.”
(E I N S T E I N)
285
286
Ajánlott irodalom
Bencze Gyula:A német atombomba mítosza. Természet Világa,1991/3: 138.
Bencze Gyula:Az epszilon hadmûvelet. Természet Világa, 1994/5: 211–215.
Bencze Gyula:Heisenberg, a magfizikus. Magyar Tudomány, 2001/12: 531.
Eisenbud, Leonard – Garvey, G. T. – Wigner, E. P.:
Az atommag szerkezete. Bp.: Akadémiai K., 1969.
Györgyi Géza:Elméleti magfizika. Bp.: Mûszaki K., 1961.
Kiss Dezsô – Horváth Ákos – Kiss Ádám:Kísérleti atomfizika.
Bp.: Eötvös, 1998.
Kiss Dezsô – Kajcsos Zsolt:Nukleáris technika.
Bp.: Tankönyvkiadó, 1984.
Marx György:Wigner Jenô, a 20. század Euklidesze.
Magyar Tudomány,2002/11: 1413.
Muhin, Konstantin Nikiforovic:Kísérleti magfizika.
Bp.: Tankönyvkiadó, 1985.
Simonyi Károly:A fizika kultúrtörténete. Bp.: Akadémiai K., 19984.
Szatmáry Zoltán:Bevezetés a reaktorfizikába.
Bp.: Akadémiai K., 2000.
Wigner Jenô:Hogyan lettem fizikus? Magyar Tudomány, 2002/11: 1408.
